第二章工程材料的基本性能

第二章工程材料的基本性能第一节材料的力学性能第二节材料的物理、化学性能第三节不同种类材料的主要性能比较第一节材料的力学性能材料的力学性能主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。

材料的机械性能实验有：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、硬度、疲劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸实验、硬度实验和冲击实验。性能指标包括四大项：强度、硬度、塑性和韧性。性能指标：定义、符号、单位、数值含义。图2-1一、弹性、塑性及强度拉伸试验：图中d0和l0分别为试样在拉伸前的计算直径和计算长度，d和l分别为试样在拉断后的断口直径和计算长度。图1-1标准拉伸试样示意图

kbb—

极限载荷点力学拉伸试验Fee—

弹性极限点sS—

屈服点K—

断裂点拉伸曲线应力—应变曲线缩颈oFFL2.塑性塑性性能载荷卸除后不能消失的变形称为残余变形。材料保持残余变形的能力称为塑性，因而残余变形又称为塑性变形。反映材料塑性性能的参量有屈服极限、延伸率和断面收缩率等。此外，与塑性性能有关的现象有材料的强化现象和拉伸试样的颈缩现象。若加载在材料中引起的应力超过σe，则卸载后有一部分变形不能消失，这种变形就是塑性变形。3.强度（二）屈服强度（屈服极限）概念：材料抵抗应力作用下，开始发生明显塑性变形，拉力不增加，应力增加，产生屈服现象的最小应力值称为屈服强度。单位：MPa（N/mm2）;表示符号：σs当材料单位面积上所受的应力σe<σ<σs时，只产生微量的塑性变形。当σ>σs时，材料将产生明显的塑性变形。它表征了材料抵抗微量塑性变形的能力。屈服强度——是塑性材料选材和评定的依据。**条件屈服强度概念：实际上，某些材料（铸铁、铸铝等）在做拉伸曲线时和低碳钢不一样，并没有明显的屈服现象(低碳钢和铸铁的应力——应变曲线比较)。为此人为的专门规定，把当试样产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定为该材料的屈服强度（条件屈服强度）。单位：MPa(N/mm2);表示符号：σ0.2实际意义：一些工程零件(如紧固螺栓)在使用时是不允许发生塑性变形的，因此屈服强度是工程设计与选材的重要依据之一。强化屈服阶段结束后，拉伸曲线又呈上升状，即要使试样继续变形，就须增大载荷，这种现象称为材料强化。低碳钢和铸铁的应力——应变曲线比较3、条件疲劳极限

对于钢铁材料，取N=107的循环周次所对应的最大应力为它的σ-1。对于大多数非铁金属及其合金的疲劳曲线上没有水平直线部分。如下图曲线所示这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108（一）布什硬度如图所示：布氏硬度测试原理图

二、硬度概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。常用方法：通常用布氏硬度、洛氏硬度、李氏硬度、肖氏硬度、维氏硬度等来表示材料的硬度。（一）布什硬度如图所示：布氏硬度测试原理图

布氏硬度计

布什硬度的表示方法硬度值的标注方法如下：硬度值

硬度代号

压头直径D/载荷P/保荷时间T如：150HBS10/3000/30表示用直径10mm的淬火钢球压头，在3000kgf载荷作用下保荷时间为30秒所测得的布氏硬度值为150。（二）洛氏硬度如图所示为洛氏硬度测试原理图。HR=K-e/0.002式中：HR为洛氏硬度代号；K为常数，当采用金刚石圆锥压头时K=100，用淬钢球压头时K=130。

洛氏硬度计洛氏硬度的表示方法

硬度值

硬度代号如：60HRC金刚石圆锥压头载荷为150kgf所测得的硬度值为60。洛氏硬度值没有单位，硬度值越大材料硬度越高，材料的耐磨性越好。（三）布氏硬度与洛氏硬度的比较与选用共同点与不同点布什硬度和洛氏硬度特点比较：1、测定准确性布什大于洛氏2、测量范围洛什大于布氏3、测量效率洛什大于布氏4、应用对象布什硬度：主要用于原材料、毛坯和半成品的硬度的单件、小批测量。不适合于测量厚度太小和成品零件的硬度。洛氏硬度：不仅可以用于测量原材料、毛坯和半成品的硬度，也可以用于测量成品的硬度，不仅可以用于单件、小批测量，也可以用于大批量测量。（四）维氏硬度四、蠕变极限

很多构件长期在高温条件下运转。例如，航空发动机叶片的使用温度高达1000℃，用Cr-Mo-V钢制造的汽轮机转子使用温度约为550℃等。高温对材料的力学性能影响很大。温度和时间还影响材料的断裂形式。1、蠕变现象和蠕变曲线当温度T≥(0.3~0.5)Tm(Tm为熔点，单位为K)时，金属材料在恒载荷的持续作用下，发生与时间相关的塑性变形，称为蠕变。相应的应变与时间关系曲线称为蠕变曲线。金属材料的典型蠕变曲线如图2-4所示。图2-4典型蠕变曲线oa线段是施加外载荷后试样的瞬时应变

0，不属于蠕变；曲线abcd表明应变是随时间增长逐渐产生的，称为蠕变；蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率，用表示。根据蠕变速率的变化情况可以将蠕变过程分为三个阶段：ab段为蠕变第一阶段，其蠕变速率随时间而逐渐减小，故又称为减速蠕变阶段；

bc段为蠕变第二阶段，又称恒速蠕变或稳态蠕变阶段，即其蠕变速率保持恒定；蠕变第三阶段(cd段)的蠕变速率随时间延长急剧增大直至断裂，称为加速蠕变阶段。

蠕变曲线各阶段持续时间的长短随材料和试验条件而变化。如图2-5所示：图2-5应力和温度对蠕变曲线影响示意图a）等温曲线（σ4＞σ3＞σ2＞σ1）b）等压力曲线（T4＞T3＞T2＞T1）

2、蠕变极限和持久强度蠕变极限是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，是高温强度设计的重要依据。它有两种表示方法。一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以(MPa)表示。另一种是在一定温度下，产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以(MPa)表示。蠕变极限适用于失效方式为过量变形的那些高温零部件。

持久强度是材料抵抗蠕变断裂的能力。它是在一定温度下，规定时间内使材料断裂的最大应力值，以表示。对于锅炉、管道等构件。其主要破坏方式是断裂而不是变形，设计这类构件就要采用持久强度指标。

持久塑性是材料承受蠕变变形能力的大小，用蠕变断裂时的相对伸长率和相对断面收缩率表示。五、冲击吸收功冲击功使试样在冲击载荷下破断所必须的有效功，通常由冲击试验求得。试验中所用的带缺口的标准冲击试样和冲击试验机如图2-6和图2-7所示。试验中摆锤冲断试样过程中所作的功就是冲击功AK，其值为：

AK=W(H1-H2)式中W为摆锤重量;H1为摆锤开始下落时的高度;H2为试样冲断后摆锤摆起的高度。除了标准的冲击试样外,有时也用非标准试样，它们主要是缺口的形式有些不同。对于某些脆性材料，常采用无缺口冲击试样。冲击试验在研究工作中，有时还采用拉伸冲击试验和扭转冲击试验。

图2-6图2-7五、断裂韧度

断裂是工程上最危险的失效形式。

特点：（a）突然性或不可预见性；（b）可能低于屈服力，发生断裂，是一种低应力脆断，其断口没有宏观塑性变形痕迹；（c）由宏观裂纹扩展引起。

因此，工程上常采用加大安全系数；浪费材料。

但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。

因此，发展出断裂力学。断裂力学的研究范畴：

把材料看成是裂纹体，利用弹塑性力学理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。定义：材料阻止裂纹扩展的能力或材料在断裂过程中吸收能量的能力应力场强度因子KI：KI可以反映裂纹尖端应力场的强弱。称之为应力场强度因子。断裂韧度KIC和断裂判据①断裂韧度当KI达到临界值时，裂纹尖端足够大的范围内，应力达到断裂强度，裂纹失稳快速扩展而断裂。临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。

KC—平面应力断裂韧度

KIC—平面应变，I类裂纹时断裂韧度

②断裂判据

KI<KIC

有裂纹，但不会断裂

KI=KIC

临界状态

KI>KIC

发生裂纹扩展，直至断裂KIC=Y·

c·(ac)1/2其中

c：为临界状态时对应的平均应力（也即断裂应力或裂纹断裂强度）ac：临界裂纹尺寸KIC

c

或ac

难以断裂

KIC表征材料抵抗断裂的能力裂纹扩展的脆断判据：KI≥KIC

（KC

）（只适用于线弹性体——弹性状态下的断裂分析）六、摩擦与磨损

摩擦

静摩擦外摩擦摩擦动摩擦内摩擦滚动摩擦滑动摩擦摩擦磨损润滑和密封失效是现代机械系统的主要失效原因。第二节材料的物理、化学性能一、材料的物理性能1.材料的电学性能材料的电学性能首先是材料的导电性，它与材料的结构、组织、成分等因素有关。（1）电阻率与电导率电阻率是微观水平上阻碍电流流动的度量；电导率是电阻率的倒数。（2）超导电性在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象为超导电性。超导体的基本特性：完全导电性；完全抗磁性（迈斯纳效应）。超导体的性能指标：临界转变温度；临界磁场；临界电流密度。（3）影响材料导电性的因素1）金属电阻率随温度升高而增大；2）冷塑性变形使金属的电阻率增大；3）合金化对导电性有显著影响。高聚物导电性的影响因素1、分子结构的影响

非极性高聚物绝缘性好，极性高聚物次之，具有常共轭双键结构的共聚物，导电性显著升高。

结晶、取向，以及交联均使聚合物绝缘体电导率下降。2、掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加；当达到一定值后，随掺杂率增加的变化电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。高分子材料导电能力的影响因素3、共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响高分子材料导电能力的影响因素π电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的增加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的增加。4、温度对导电高分子材料导电能力的影响对金属晶体，温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，克服其能带间隙，实现导电过程。高分子材料导电能力的影响因素2.材料的磁学性能(1）磁化率和磁导率材料磁性的本源是材料内部电子的循环和自旋运动，就是由于电子的这些运动产生了物质的磁性。在受磁场的作用下，由于材料中磁矩排列时取向趋于一致而呈现出的磁性，这种现场称为磁化。凡是能被磁化的物质称为磁质或磁介质。磁感强度是指通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。（2)抗磁性与顺磁性材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为三类：a.使磁场减弱的物质称为抗磁性材料；b.使磁场略有增强的物质为顺磁性材料；c.使磁场强烈增加的物质称为铁磁性材料。（3）磁化曲线和磁滞回线软磁材料和硬磁材料3.材料的热学性能材料在一定温度环境下使用，对不同的温度表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。材料的热学性能主要有热容、热膨胀、热传导等。在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量称做该材料的热容。物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。当固体一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地